采用ZigBee技術與CC2430設計的需求響應系統(tǒng)

1 引言

需求響應技術通過電力用戶接收電力企業(yè)發(fā)布的用電信息，及時響應用電負荷變化的措施，以達到削峰填谷，減少負荷波動的目的。需求響應的實施可以帶來很大的經(jīng)濟和社會效益，我國的一些地區(qū)也已經(jīng)實行了基于峰谷電價的需求響應措施，并取得了一定的效果。但是傳統(tǒng)的需求響應系統(tǒng)缺乏自動化響應措施，不能滿足實時雙向通信的要求，缺乏與用戶側的互動。

電子式電能表由于其優(yōu)越的性能及易于與通信模塊集成，逐步取代了機械式電能表。隨著通信技術的發(fā)展，深入千家萬戶的電能表作為通信節(jié)點傳遞信息，并組成網(wǎng)絡已經(jīng)成為現(xiàn)實。按通信信道來劃分，電能表的通信主要分為有線及無線方式。有線通信主要包括485 總線及電力載波技術。無線主要包括公網(wǎng)通信及射頻通信。485 總線布線及維護困難，電力載波技術抗干擾性能差，公網(wǎng)通信需支付一定的使用費用，構建專有無線通信網(wǎng)絡是一種新發(fā)展方向。

ZigBee 技術是一種短距離、低復雜度、低功耗、低數(shù)據(jù)速率、低成本的雙向無線通信技術，非常適合構建以電能表為節(jié)點的通信網(wǎng)絡。本文提出了一種基于ZigBee 技術的需求響應系統(tǒng)構架，并對系統(tǒng)做出了設計。

2 需求響應系統(tǒng)設計

2.1 系統(tǒng)總體方案

與自動抄表系統(tǒng)不同，需求響應系統(tǒng)的目的不是采集用戶的用電信息傳送到電力公司，而是把電網(wǎng)及用戶用電的實時信息傳遞到用戶側并做出響應。如圖1 所示，智能電網(wǎng)AMI 中心通過GPRS 或因特網(wǎng)等通信方式把實時的電網(wǎng)信息傳送到用戶小區(qū)。用戶小區(qū)中設置的區(qū)域集中器接收并存儲信息，并作為ZigBee網(wǎng)絡的協(xié)調器建立網(wǎng)絡，把電網(wǎng)及實時電價信息傳送到作為路由器的智能電表節(jié)點端。需求響應終端通過與智能電表建立連接，獲取用戶用電信息及由協(xié)調器發(fā)布的實時電網(wǎng)、電價信息，再根據(jù)用戶編制的控制程序，控制用戶的負荷裝置。需求響應終端以節(jié)點的方式加入，除接收實時電價等公共信息外，只與其父節(jié)點即每戶相應智能電表交換信息，保證了用戶信息的安全性。

圖1 需求響應系統(tǒng)網(wǎng)絡結構圖

2.2 系統(tǒng)硬件設計

2.2.1 ZigBee 通信節(jié)點設計

需求響應系統(tǒng)的通信節(jié)點采用TI 的SOC 芯片CC2430.CC2430 內部集成了業(yè)界領先的CC2420 射頻模塊、一個增強的工業(yè)級8051 內核、32/64/128 KBFLASH、8KB RAM 以及其它的功能電路，外接很少的電路就可以構建一個ZigBee 節(jié)點[3].系統(tǒng)中的節(jié)點可以根據(jù)實際應用情況的不同，通過軟件配置為協(xié)調器、與電能表連接的路由器及需求響應終端。

2.2.2 ZigBee 協(xié)調器設計

協(xié)調器接收來自電網(wǎng)中心的消息，并把電網(wǎng)中心的信息傳送到用戶端。電網(wǎng)的消息通過GPRS、以太網(wǎng)等方式傳送到用戶小區(qū)，協(xié)調器接收經(jīng)網(wǎng)關處理后的GPRS、以太網(wǎng)信息，并轉化為ZigBee 信息再傳送出去。當電網(wǎng)信息采用以太網(wǎng)傳輸時，可以通過PC機作為網(wǎng)關，PC 機接受并處理來自AMI 中心的信息后，通過串口與ZigBee 節(jié)點相接。協(xié)調器只需在ZigBee 節(jié)點外接RS-232 電平轉化器即可。圖2 為協(xié)調器與PC 機接口。

圖2 協(xié)調器與PC 機接口。

2.2.3 Zigbee 節(jié)點與智能電表接口設計

我國的智能電能表采用RS-485 標準串行電氣接口并遵循DLT645 規(guī)約[4]進行通信。Zigbee 節(jié)點采用RS-485 接口與電能表相接，便可以獲得電能表內的數(shù)據(jù)。Zigbee 節(jié)點與智能電能表的接口如圖3 所示。

CC2430 引腳RXD、TXD、RE/DE 分別為接收、發(fā)送與狀態(tài)轉換端。為了保證系統(tǒng)穩(wěn)定及抗干擾性，分別通過光耦隔離傳送至由3.3V電平供電的485 電平轉換芯片SP3485,經(jīng)轉化為485 電平后，經(jīng)由端子#A、#B與智能電表的485 通道相接。R6、R7 分別為上拉及下拉電阻，目的是為了保證在無連接時，輸入電平狀態(tài)為空閑狀態(tài)。連接于智能電表上的ZigBee 節(jié)點可以使用電能表上的電源供電，并作為路由器加入由協(xié)調器建立的ZigBee 網(wǎng)絡。

圖3 ZigBee 節(jié)點與智能電能表接口。

2.2.4 需求響應終端設計

需求響應終端與用戶進行交互，顯示電網(wǎng)信息及用戶用電信息，并對用戶的用電設備進行控制。需求響應終端作為ZigBee 節(jié)點中的終端節(jié)點，采用電池供電，可以方便設備的移動。響應終端主要有液晶顯示、按鍵及外接控制端口3 個部分。

液晶模塊采用RT 公司生產(chǎn)的12232f,是一種內置8192 個16*16 點陣漢字庫和128 個16*8 點ASCII字符集的圖形點陣液晶顯示器，可以顯示7.5×2 個（16×16 點陣）漢字，與外部CPU 接口采用并行或串行方式控制。模塊的供電電源電平根據(jù)用戶要求有3V/5V 的型號，本設計中選用3V 供電的模塊，以與CC2430電平匹配。本設計中CC2430 采用串行方式與12232f相連以節(jié)省CC2430 的IO 端口。CC2430 與液晶模塊的接口如圖4 所示。其中LCD_CS、LCD_SID、LCD_CLK 分別為液晶選中、數(shù)據(jù)傳輸、時鐘信號引腳。LCD_CON 控制液晶背光的開啟與關閉。

4 個按鍵分別與4 個IO 端口相接，可以實現(xiàn)確定、退出、上翻、下翻的功能。

外接控制端口通過繼電器來控制外部用電設備的通斷，達到負荷控制的目的。如圖5 所示，CC2430通過CONTROL 引腳輸出高低電平信號便可以控制負荷控制端子的通斷。其中P1 為續(xù)流二極管，并聯(lián)于繼電器兩端，作用是當觸點斷開時，提供反電勢釋放回路，防止二次擊穿。

圖4 液晶與CC2430 接口。

圖5 外接控制端口電路。

2.3 系統(tǒng)軟件設計

Z-Stack 是TI 公司發(fā)布的免費的并經(jīng)ZigBee 聯(lián)盟授權的協(xié)議棧。Z-Stack 主要分為以下幾個部分：應用層、硬件層、MAC 層、網(wǎng)絡層、操作系統(tǒng)層、安全層，服務層，ZDO 層。在需求響應系統(tǒng)中有3 種類型的設備，分別是協(xié)調器、與智能電表連接的路由器以及需求響應終端。在設計中，只需針對硬件層做出相應的修改，并定義相應設備的網(wǎng)絡類型，然后構建基于不同設備的應用層程序即可。TI Z-Stack 嵌入了一個基于任務輪轉查詢的操作系統(tǒng)[5].上電后，系統(tǒng)在進行一些初始化工作后，便由操作系統(tǒng)來處理協(xié)議棧各層的任務。當有事件發(fā)生時，先處理優(yōu)先級高的層的事件，再處理優(yōu)先級低的事件。當處理完當前優(yōu)先級最高的事件后，系統(tǒng)重新開始輪詢。需求響應系統(tǒng)中操作系統(tǒng)中各個設備的任務處理的流程如圖6 所示。

圖6 任務處理流程。

由于各個ZigBee 設備具有一定的通用性，在協(xié)議棧中，MAC 層、網(wǎng)絡層、硬件層、監(jiān)控層、應用幀層、設備事件層都可以通用。下文中對各個設備的具體描述，只是詳細介紹設備的應用層程序設計。

2.3.1 協(xié)調器軟件設計

協(xié)調器在電源接通后，開始建立網(wǎng)絡。協(xié)調器接收到的電網(wǎng)中心信息經(jīng)處理后，按一定的周期發(fā)送至電網(wǎng)消息群組。電網(wǎng)消息群組為接收電網(wǎng)及實時電價信息的群組。協(xié)調器軟件流程如圖7 所示。

圖7 協(xié)調器軟件流程圖。

2.3.2 與電表連接ZigBee 節(jié)點軟件設計

網(wǎng)絡協(xié)調器啟動并建立網(wǎng)絡后，與電能表相連的ZigBee 節(jié)點以路由器的形式加入網(wǎng)絡。當用戶希望接收到電網(wǎng)信息時，選擇加入電網(wǎng)消息接收群組，并把接收到的電網(wǎng)消息存儲在本節(jié)點中或備份于智能電表中。當節(jié)點收到需求響應終端對智能電能表內部數(shù)據(jù)請求的消息后，本節(jié)點通過RS-485 接口讀取智能電能表內部的數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)請求幀采用滿足DL645-2007 協(xié)議的幀格式，得到電表響應數(shù)據(jù)后，把相應接收數(shù)據(jù)發(fā)送給作為終端節(jié)點的需求響應終端。本路由器節(jié)點的軟件流程圖如圖8 所示。

圖8 路由器軟件流程圖。

2.3.3 需求響應終端軟件設計

根據(jù)需求響應終端的應用要求，需要獲取并顯示電價信息、網(wǎng)絡信息、當前用電信息、歷史用電信息、電網(wǎng)消息等，并針對用戶提出的控制方案對家庭用電設備進行自動化控制。為了與用戶實現(xiàn)更好的交互，需求響應終端使用菜單界面。菜單分為3 級，配合終端的4 個按鍵，可實現(xiàn)菜單的上翻、下翻、進入、退出及參數(shù)設置功能。本設計定義了菜單的數(shù)據(jù)結構如下：

Typedef Struct Menu

{

void *DataAddr; //菜單數(shù)據(jù)地址指針

unsigned char FatherMenuNumber; //父菜單索引值

unsigned char ChildMenuNumber; //子菜單索引值

unsigned char LastBrotherMenuNumber; //兄菜單索引值

unsigned char NextBrotherMenuNumber; //弟菜單索引值

void （*UpFun） （ ）； //按"上"鍵處理程序指針

void （*DowmFun） （ ）； //按"下"鍵處理程序指針

void （*OkFun） （ ）； //按"確定"鍵處理程序指針

void （*ExitFun） （ ）； //按"退出"鍵處理程序指針

} SystemMenu;

通過在程序中構建相應的菜單表，菜單項中父子兄弟4 個索引值構造了一個樹狀的菜單結構。在菜單的數(shù)據(jù)結構中還包含有指向當前菜單相應執(zhí)行程序的指針，可以方便可以實現(xiàn)一個易維護、易擴展的菜單。

由于程序中設定的索引值數(shù)據(jù)類型為無符號字符型，因此菜單最大項只能達到256 項。當系統(tǒng)的菜單項大于此值時，可以用整型數(shù)據(jù)替代。

為了減少網(wǎng)絡的通信負荷量，智能電表終端不主動發(fā)送更新數(shù)據(jù)信息至需求響應終端。只有在用戶需要獲取某數(shù)據(jù)信息時，需求響應終端才主動向智能電表端請求數(shù)據(jù)。當需求響應終端采用源綁定的方式獲取智能電表的信息時，由于每條信息均通過協(xié)調器間接尋址并由協(xié)調器轉發(fā)信息，會增加網(wǎng)絡中協(xié)調器處理信息的負擔。

本設計中采用直接尋址的本地綁定的方式來實現(xiàn)終端節(jié)點與電能表節(jié)點的通信。終端節(jié)點通信流程圖如圖9 所示。

圖9 終端節(jié)點通信流程圖。

當需求響應終端加入網(wǎng)絡后，根據(jù)是否已知匹配的智能電表節(jié)點MAC 地址，分為2 種綁定方式。如果已知MAC 地址， 需求響應終端發(fā)送請求NWK_addr_req 請求原語來獲取網(wǎng)絡中對應MAC地址器件的網(wǎng)絡地址。需求響應終端在收到NWK_addr_rsp回應信息時，便是找到了目標網(wǎng)絡地址。MAC 地址未知時，需求響應終端則發(fā)送Match_Desc_req 請求原語來獲取網(wǎng)絡中輸入、輸出簇匹配設備的網(wǎng)絡地址。

當網(wǎng)絡中存在多于一個的簇匹配的設備時，用戶可以通過設置設備描述信息匹配，篩選出目標設備地址。

當獲取目標網(wǎng)絡地址并存儲后，需求響應終端設備通過調用應用層數(shù)據(jù)請求指令便可獲取用戶智能電表節(jié)點的數(shù)據(jù)。為了確保需求響應終端的正確尋址，智能電表節(jié)點網(wǎng)絡地址發(fā)生改變時，通知對應的需求響應終端，需求響應終端重啟綁定流程。

3 結論

經(jīng)過測試，本論文所設計的基于ZigBee 的需求響應系統(tǒng)能夠實現(xiàn)快速、實時的雙向通信。需求響應終端能顯示實時電價及用電信息，提醒用戶節(jié)電，達到削峰平谷的目的；并能通過外接控制端子，根據(jù)用戶的設置，實現(xiàn)對用戶電器的供電的自動控制。本系統(tǒng)實現(xiàn)了電網(wǎng)與用戶側的交互，在智能建筑的建設中，可基于本系統(tǒng)實現(xiàn)電力需求側能源管理，并能與智能家居系統(tǒng)結合，讓用戶在享受舒適便利的家庭智能化的同時還能節(jié)省能耗開支。隨著智能電網(wǎng)的建設及節(jié)能減排的實施，此系統(tǒng)具有很好的應用前景。